分子生物学第17讲课件

1、分子生物学第17讲,第四节 分解代谢产物抑制涉及的启动子正调控,一、分解代谢产物抑制 1，某些启动子转录的起始需要辅助蛋白质 2，分解代谢产物抑制 含义 原因,分子生物学第17讲,二、CAP对启动子的正调控 1，cAMP在分解代谢产物抑制中的作用 2，CAP的作用 （1）CAP的结构特征 （2）CAP结合的DNA位点 （3）CAP的激活,分子生物学第17讲,（4）CAP对转录的激活作用 A，CAP激活转录的途径 B，CAP与DNA和RNA聚合酶的作用 C，CAP对RNA聚合酶的作用取决于两者的相对位置：,分子生物学第17讲,第四节 操纵元的其他调控形式,一、具有双启动子的半乳糖操纵元 （一）半

2、乳糖代谢 1，半乳糖代谢相关的酶 （1）半乳糖激酶 （2）半乳糖转移酶 （3）半乳糖表异构酶,分子生物学第17讲,2，代谢步骤 （二）gal操纵元 1，gal操纵元组成 （1）结构基因（galK，galT，galE） （2）调节基因（galR） （3）P/O位点,分子生物学第17讲,2， gal操纵元的启动子（图89） （1）gal P1 （2）gal P2,分子生物学第17讲,（三）cAMP-CAP对galP1和gal P2的控制 1，gal启动子的cAMP-CAP结合位点 （1）位置：-76-47 （2）序列特点（图810）,分子生物学第17讲,2，cAMP-CAP对S1转录的激活及对S2

3、转录的阻遏 对galP1 对galP2,分子生物学第17讲,（四）Gal阻遏蛋白的作用机制 1，gal阻遏蛋白的作用位点 2， gal阻遏蛋白可能的作用机制 （1） gal阻遏蛋白与galOE结合，可能通过以下途径发挥作用,分子生物学第17讲,（） gal阻遏蛋白与galOI结合可能导致两个操作子之间的DNA形成环状结构，两个阻遏蛋白通过相互作用而强化了阻遏效应,分子生物学第17讲,（五）gal操纵元双启动子的意义 1，半乳糖的双重作用 （1）作为细菌的碳源 （2）UDPGal是细菌细胞壁的重要前体 2，双启动子的作用 （1）galP1保证细菌可以利用半乳糖作为碳源 （2）galP2保证有葡萄

4、糖存在时，细菌可以合成UDPGal,分子生物学第17讲,二、阿拉伯糖操纵元：具有双重功能（正调控和负调控）的调节蛋白 (一)阿拉伯糖代谢酶基因的操纵元 1，阿拉伯糖调控元 （1）三个参与阿拉伯糖代谢的酶的基因的操纵元 （2）调控元：由一个调节基因控制几个操纵元的系统,分子生物学第17讲,2，araBAD操纵元的组成 （1）结构基因 （2）操纵元结构（图8-11） （二）araBAD操纵元的调控,分子生物学第17讲,1，araC基因产物及其结合位点 （1）araC基因对araBAD正调控的遗传学证据 （2）AraC蛋白的2种形式 （3）AraC结合位点,分子生物学第17讲,2，对araBAD操纵

5、元起调控作用的因素 （1）Crep 对araBAD 及araC的作用 A，Crep 与araO1结合 B，Crep 与araO2结合 （2）Cind对araBAD 及araC的作用 （3）cAMP-CAP是araBAD和araC表达的正调控因子,分子生物学第17讲,3，araBAD操纵元的调控（图812） （1）无AraC及cAMP-CAP时，araC转录，但很快会被Crep所阻遏（自身调控） （2）有AraC，无cAMP-CAP时，araBAD和araC均不转录 （3）有AraC，阿拉伯糖及cAMP-CAP时，araBAD转录 （4）Cind 和cAMP-CAP促进araBAD转录的机制 促

6、进RNA聚合酶与araBAD的结合并形成开放性启动子复合物,分子生物学第17讲,三、 色氨酸操纵元：可阻遏系统 （一） trp操纵元的结构 1， 结构基因及其编码的酶 2，前导序列 3，终止子 4，调节基因,分子生物学第17讲,（二）Trp操纵元的阻遏调控 1，Trp的作用 Trp有两方面的作用 （1）对已有的酶起反馈抑制（feedback inhibition） （2）作为trp无活性的阻遏蛋白的辅阻遏物,分子生物学第17讲,2，TrpR的作用 （1）TrpR的活性形式 （2）TrpR的作用机制,分子生物学第17讲,第五节 基因表达的时序调控,时序调控：按照一定的时间顺序实现的基因表达调控机

7、制,分子生物学第17讲,基因转录时序调控的必要性：使生物能够有效地利用资源，避免某些基因不适当表达可能带来的危害 基因转录时序调控的方式：大多数是通过一种或几种蛋白质因子与RNA聚合酶相互作用而实现的,分子生物学第17讲,一、噬菌体基因表达特点概述 （一）噬菌体基因组构成 1，基因构成 （1）转录和翻译所必需的基因 感染初期噬菌体均利用宿主的转录系统，随后噬菌体合成一些自身编码的蛋白质，对宿主的RNA聚合酶进行替代或修饰，其结果是使转录系统优先转录噬菌体的mRNA。噬菌体倾向于使用宿主的蛋白质合成系统,分子生物学第17讲,（2）DNA复制相关基因 噬菌体常利用宿主的复制体系成分，这些基因与复制

8、的起始有关，有的噬菌体基因组编码DNA聚合酶和某些复制相关的蛋白质,分子生物学第17讲,（3）噬菌体颗粒结构和装配相关基因 通常，噬菌体的头部和尾部需要许多种蛋白质，因此，噬菌体晚期功能区构成了基因组的最大部分,分子生物学第17讲,2，遗传图谱的特点 噬菌体的遗传图谱的组织常常反映其基因表达的顺序。在噬菌体中，操纵元的作用被发挥到极致。编码功能相关的蛋白质的基因聚集成簇，使得少数几个调节蛋白质就可以控制整个基因组的表达，实现最经济的调控,分子生物学第17讲,（二）溶菌周期的分期 1，早期感染（early infection）：指噬菌体DNA进入宿主到噬菌体DNA复制开始的一段时间。这一时期主要

9、是产生DNA复制所需的酶,分子生物学第17讲,2，晚期感染（late infection）：指噬菌体DNA复制开始到细菌裂解，释放后代噬菌体颗粒的一段时间。在这段时期，噬菌体完成DNA的复制、噬菌体颗粒的蛋白组分的合成。除此还需要合成组装蛋白和溶菌蛋白，帮助组装噬菌体颗粒和最终释放子代噬菌体,分子生物学第17讲,（三）噬菌体基因表达的级联式控制 噬菌体的基因表达是在调节蛋白质的级联式控制进行的。前一个阶段的基因表达是后一个阶段基因表达所必需的。在每个阶段有一个或多个基因产物作为后续阶段的调节物。调节蛋白质可以是新的RNA聚合酶、新的亚基和抗终止因子等,分子生物学第17讲,1，第一阶段的基因表达

10、 噬菌体感染第一个阶段的基因表达要依赖宿主的转录体系。这些基因常被成为早期基因（early genes），在噬菌体中称为极早期基因（immediate early genes）。这些基因的启动子和宿主基因的启动子是没有区别的。通常这个阶段只表达少数几个基因，其中总有一个基因编码下一批基因表达所必需的调节蛋白质,分子生物学第17讲,2，第二阶段的基因表达 这个阶段表达的基因被称为迟早期基因或中期基因。这批基因通常在早期基因编码的调节蛋白质一出现就开始表达。此时宿主的基因表达常常被抑制,分子生物学第17讲,3，晚期基因表达 当噬菌体DNA复制开始，晚期基因开始表达。其转录是在第二阶段合成的调节蛋白

11、质的控制下进行的,分子生物学第17讲,二、枯草杆菌中亚基的更迭 （一）枯草杆菌噬菌体SPO1早、中晚期基因表达的转换 1，SPO1生活史 （1）早期：侵染侵染后45min （2）中期：侵染45min至812min （3）晚期：侵染812nin后,分子生物学第17讲,2，SPO1早、中、晚期基因表达过程中亚基的替换（图816） （1）含55的RNA聚合酶全酶负责早期基因的转录 早期基因产物gp28：分子量28KDa的亚基 gp28取代55与核心酶结合，使RNA聚合酶识别中期基因的启动子 不同亚基的替换取决与核心酶结合的亲和力,分子生物学第17讲,（2）含gp28的RNA聚合酶全酶负责中期基因的转

12、录 gp33、gp34表达，并取代gp28（以及55）与核心酶结合，使RNA聚合酶识别晚期基因的启动子,分子生物学第17讲,（3）以gp33-gp34为亚基的RNA聚合酶全酶负责晚期基因的转录,分子生物学第17讲,（二）枯草杆菌子孢子生成过程中亚基的替换,分子生物学第17讲,1，枯草杆菌不同生长时期亚基的替换 （1）营养生长时期 含55的全酶：识别营养生长有关基因的转录和孢子形成最初所需要的基因 28含量很少 32含量不到总量的1,分子生物学第17讲,（2）营养耗竭及孢子形成反应时期 含28的全酶：负责转录孢子生成的信号探测基因，以及起始孢子形成反应的基因,分子生物学第17讲,（3）孢子形成早

13、期 37代替55，含37的全酶能识别早期孢子形成基因的启动子 32负责识别某些基因的启动子,分子生物学第17讲,（4）孢子形成中、晚期 29代替37，含29的聚合酶负责中、晚期孢子形成基因的转录,分子生物学第17讲,2，不同亚基识别不同的启动子 每种亚基识别的启动子都有各自的结构特征 4，不同亚基的作用机制 亚基可能直接识别启动子的特性,分子生物学第17讲,二、T7噬菌体生长过程中用噬菌体RNA聚合酶代替寄主的RNA聚合酶 （一）T7 噬菌体概况 1，T7噬菌体的特点 是感染大肠杆菌的烈性噬菌体 由二十面体的头部和非常小的尾部构成 基因组由39936bp的线状双链DNA组成，编码50个基因,分

14、子生物学第17讲,2， T7 噬菌体生长周期 生长周期：可分为早期阶段和晚期阶段，30C时为25分钟 生长周期的特点：DNA注射非常缓慢，是基因调控的手段之一 生长周期可分为早期阶段和晚期阶段,分子生物学第17讲,（二）T7 噬菌体的基因 1， T7 噬菌体基因及其产物 （1）早期及晚期基因（图819） 早期基因及其转录产物I：第一组（早期）基因属于极早期基因，在噬菌体进入细菌后由宿主的RNA聚合酶表达。其产物中有干扰宿主基因表达的酶和噬菌体RNA聚合酶。后者负责部分早期和整个晚期基因的表达,分子生物学第17讲,晚期基因及其转录产物II：编码与DNA复制有关的蛋白质 晚期基因及其转录产物III

15、：编码与噬菌体颗粒的结构和组装有关的蛋白质,分子生物学第17讲,（2） T7 噬菌体基因的启动子位置和终止位点（图819） 早期启动子：A1、A2和A3，由大肠杆菌RNA聚合酶识别 第二组启动子：10个 第三组启动子：5个 复制启动子： OL， OR 终止位点：TE，T ， T7末端,分子生物学第17讲,（3）T7噬菌体基因mRNA的合成及转录后处理（图820） T7噬菌体mRNA有宿主RNA酶III能够识别的发夹结构，可以被RNA酶III切割释放出各个基因的mRNA,分子生物学第17讲,2，T7噬菌体RNA聚合酶识别的启动子（表86） （1） T7噬菌体RNA聚合酶识别的序列 23bp（-1

16、7+6）的高度保守序列 （2） T7噬菌体的弱启动子 OL，第二组启动子 结构特点：有27个碱基不同于一致序列,分子生物学第17讲,（3） T7噬菌体的强启动子 第三组启动子， OR 结构特点：与一致序列相同,分子生物学第17讲,（三）T7 噬菌体基因表达的调控 1，早期转录产物I的形成 （1）寄主RNA合成体系负责转录早期基因 （2）重要的早期基因 基因0.3：产物能抑制寄主的限制酶 基因0.7：产物为蛋白激酶，能使宿主RNA聚合酶因磷酸化而失活 基因1：产物为T7 RNA聚合酶,分子生物学第17讲,2，第组基因的表达 （1）基因2 产物为宿主RNA聚合酶抑制剂 （2） 3.5基因产物 参与

17、DNA复制和转录的抑制 同时也负责细胞的裂解（又称T7溶菌酶）,分子生物学第17讲,（3）T7 噬菌体对寄主RNA合成体系的接管 0.7，1，2基因产物作用的结果使宿主的转录体系关闭，噬菌体建立自己的转录体系,分子生物学第17讲,3，第类启动子的转录 （1）可能由于基因3.5产物的作用，这个阶段转录水平下降 （2）只有第III类强启动子才能起始转录,分子生物学第17讲,三、噬菌体早、晚期基因转录以及裂解生长和溶原生长的调控 （一）噬菌体基因表达的特点 1，对寄主RNA聚合酶的依赖性 2，有多种调控因子 3，功能相关的基因聚集形成4个操纵元,分子生物学第17讲,（1）早期左向操纵子：编码与噬菌体DNA与细菌DNA重组、整合和切除有关的基因 （2）早期右向操纵子：编码与噬菌体DNA复制有关的基因 （3）晚期操纵子：编码与噬菌体结构蛋白及溶菌有关的基因 （4）阻遏蛋白操纵子：编码起调控作用的基因,分子生物学第17讲,（二）噬菌体的早、晚期基因的表达（图6-17） 1，极早期基因 （1）启动子 PL：转录产物L1，编码抗终止蛋白N PR：转录产物R1，编码调节蛋白质Cro （2）终止子 tL1，tR1：均依赖于因子,分子生物学第17讲,2，迟早期基因 （1）启动